Implications de l’architecture des ouvrages du stockage sur l’évolution phénoménologique du stockage et de son environnement géologique phénoménologique du stockage et de son environnement géologique

La conception proposée du stockage vise à répondre aux objectifs de sûreté et de réversibilité (Andra, 2005j). Pour ce faire, elle s’appuie sur la connaissance du comportement phénoménologique du stockage et de son environnement géologique. Elle contribue aussi à maîtriser ce comportement, notamment la complexité et les extensions des processus dans le temps et dans l’espace.

2.5.1 Une simplification et une maîtrise de l’évolution phénoménologique

La simplification et la maîtrise de l’évolution phénoménologique du stockage sont des principes retenus pour la sûreté du stockage et la réversibilité. Plusieurs dispositions de conception y concourent.

9 L’architecture compartimentée et modulaire du stockage par zones de stockage de colis types distinctes et éloignées les unes des autres, puis par modules distincts et éloignés les uns des autres au sein d’une même zone de stockage.

Il s’agit de limiter ou d’empêcher toute interaction phénoménologique entre zones de stockage et entre modules d’une même zone, et donc de facto la complexité de leurs évolutions phénoménologiques. Le stockage se comporte alors comme une somme de stockages élémentaires quasi indépendants sur le plan de l’évolution phénoménologique.

9 La limitation des températures maximales dans le stockage et dans son environnement géologique.

L’objectif premier est de maintenir le stockage et son environnement géologique dans un domaine de température préservant les propriétés naturelles de la couche du Callovo-Oxfordien et celles des composants du stockage.

9 Le choix des matériaux constitutifs des ouvrages du stockage.

Il s’agit de limiter les perturbations chimiques au sein du stockage et de la couche du Callovo-Oxfordien et de maintenir un environnement physico-chimique favorable aux colis de déchets afin de limiter le relâchement des radionucléides.

9 Le dimentionnement mécanique des ouvrages souterrains.

Il s’agit de limiter les perturbations mécaniques, notamment l’endommagement mécanique des argilites en champ proche des ouvrages (mise en place d’un revêtement, distance entre deux ouvrages adjacents d’au moins cinq fois le diamètre, minimisation des vides, orientation des alvéoles suivant la direction de la contrainte majeure, etc.).

2.5.2 Des ouvrages à la typologie marquée vis-à-vis des comportements phénoménologiques La nature des composants du stockage et les modalités d’exploitation du stockage déterminent la phénoménologie mise en jeu dans le stockage et dans le milieu géologique environnant, aussi bien en période d’exploitation / réversibilité qu’en période de post-fermeture. On peut ainsi dégager trois caractéristiques majeures des ouvrages du stockage, qui peuvent par ailleurs se combiner.

2.5.2.1 Des ouvrages distincts en terme de matériaux constitutifs On distingue :

9 des ouvrages à dominante argile et métaux, comme les alvéoles de colis de déchets C et les alvéoles de colis de combustibles usés (Encadré 2.6, Encadré 2.7 et Encadré 2.9) ;

9 des ouvrages à dominante majoritaire béton (et métaux), comme les alvéoles de déchets B (Encadré 2.8) et des ouvrages à dominante majoritaire argile associée à du béton, comme les scellements et les remblais.

La corrosion et corrélativement la production d’hydrogène sont des processus importants de l’évolution phénoménologique des premiers ouvrages. Les seconds sont marqués par la dégradation chimique des bétons et les interactions chimiques entre les eaux cimentaires et les argiles (argilites et argiles gonflantes).

2.5.2.2 Des ouvrages distincts en terme de ventilation pendant l’exploitation Comme pour la nature des ouvrages, on distingue :

9 des ouvrages fermés, en terme d’échange d’air avec la galerie, du fait de la mise en place de disposition temporaire (capot d’étanchéité), comme les alvéoles de déchets C et de combustibles usés ;

9 des ouvrages maintenus ouverts et ventilés tout ou partie de la période d’exploitation du stockage jusqu’à sa fermeture, comme les alvéoles des déchets B et surtout les galeries et les puits d’accès.

La ventilation, et plus particulièrement la présence d’oxygène, conditionne les conditions redox au sein des ouvrages, et l’état de saturation de ces ouvrages. Ces deux paramètres ont des effets importants sur les processus chimiques et mécaniques au sein des ouvrages, comme par exemple la corrosion des composants métalliques ou la dégradation chimique des bétons.

2.5.2.3 Des ouvrages distincts en terme de dégagement de chaleur On distingue :

9 des ouvrages à forte thermicité, comme les alvéoles de déchets C et les alvéoles de combustibles usés ;

9 des ouvrages à faible thermicité ou à thermicité nulle, comme les galeries, les puits d’accès et les alvéoles de stockage de déchets B.

La température est un paramètre des processus chimiques, hydrauliques et mécaniques. Bien que la conception vise à limiter les élévations de température au sein du stockage, l’amplitude, la cinétique, et la durée des élévations de température sont des données de l’évolution phénoménologique du stockage.

2.5.3 Des composants majeurs du milieu géologique et du stockage

Dans la conception du système de stockage et l’évaluation de sûreté, certains éléments se voient allouer des fonctions. D’autres comme les galeries ou les formations encaissantes, ne jouent pas de rôle explicite bien qu’elles soient représentées (Andra, 2005j).

Ainsi, en post-fermeture, la sûreté du stockage repose sur un ensemble de composants naturels et artificiels privilégiés visant à retarder et à limiter le retour des radioéléments vers l’homme et l’environnement :

9 la couche du Callovo-Oxfordien, du fait notamment de sa stabilité passée sur plusieurs millions d’années et future, ainsi que de sa faible perméabilité et de ses propriétés de rétention élevée ;

9 les scellements, qui assurent la fermeture hydraulique générale du stockage ;

9 labarrière ouvragée en argile gonflante des alvéoles de combustibles usés et les bouchons en argile gonflante des alvéoles de déchets C et de combustibles usés. Comme les scellements, ils contribuent à la fermeture hydraulique du stockage au niveau des alvéoles ; 9 les conteneurages de combustibles usés et des déchets C. Ils ont pour fonction d’assurer un

confinement total des radionucléides pendant les périodes au cours desquelles (i) les radionucléides à vie courte et moyenne ont encore une activité significative et (ii) l’élévation de température dans et autour du stockage est encore importante, par exemple supérieure à 50 °C pour les verres ;

9 lesconteneurs de stockage des colis de déchets B, qui assurent un retard et une limitation du relâchement des radionucléides sur une période a minima de quelques milliers d’années à la dizaine de milliers d’années ;

9 lesmatrices de conditionnement des déchets, comme la matrice vireuse, les pastilles d’oxyde des combustibles usés ou la matrice bitume des boues de retraitement. Après la perte de confinement des conteneurages, les matrices de conditionnement limitent le relâchement des radionucléides sur de longues périodes (a minima de l’ordre de plusieurs dizaines de milliers d’années).

Encadré 2.6 Les argiles gonflantes (Andra, 2005f, Tome 1)

Les minéraux argileux gonflants

Les argiles gonflantes sont constituées majoritairement en masse par des minéraux argileux dits gonflants, les smectites, et par des minéraux dits secondaires ou accessoires (carbonates, quartz, feldspaths, pyrite, oxy-hydroxides). Les smectites, comme les autres minéraux argileux, appartiennent au groupe des phyllosilicates. Elles se présentent sous la forme de cristaux de très petite taille (quelques micromètres au maximum) qui apparaissent dans tous les domaines dits de la surface (altérites, sols, sédiments) ou de la subsurface (diagenèse, altérations hydrothermales). Les cristaux (ou cristallites) résultent de l’empilement des feuillets qui s’accolent pour former des particules polycristallines. À l’échelle supérieure, les cristaux ou particules polycristallines, associés ou non à des minéraux secondaires, forment des agrégats. Les agrégats assemblés et les éventuels minéraux secondaires forment les argiles gonflantes.

Chaque feuillet est constitué de l’empilement de deux couches de base : a) la couche tétraédrique formée par des tétraèdres SiO4

ou AlO4

formant un réseau bidimensionnel, et b) la couche octaédrique, formée par des octaèdres suivant un réseau à symétrie hexagonale (cf. figure ci-dessous).

Représentation tridimensionnelle de la structure d’une argile 2:1 de type smectite (feuillet constitué de 2 couches tétraédriques encadrant 1 couche octaédrique) (Petit et al., 1999, d'après Grim, 1968) La particularité des smectites : le déficit de charge et le gonflement interfoliaire

La structure cristalline des minéraux gonflants correspond à des feuillets 2:1 (TOT) (cf. figure ci-dessus).

Des substitutions cationiques peuvent exister dans la couche tétraédrique (Si⁴⁺ par Al³⁺) et dans la couche octaédrique (R³⁺ par R²⁺), créant un déficit de charges positives dans le feuillet 2:1. Ce déficit est compensé par l'addition d'une couche interfoliaire cationique dans la structure cristalline. Le nombre des cations interfoliaires dépend de leur valence et de la valeur de la charge interfoliaire. Pour les smectites, cette charge peut varier entre 0,30 et 0,65 pour une composition de type O10(OH)2, ce qui modifie les propriétés chimiques et physiques des feuillets. Les cations sont faiblement fixés dans l'espace interfoliaire. Ils sont totalement échangeables et les molécules polaires telles que l'eau peuvent pénétrer dans cet espace, conférant une capacité d'expansion des feuillets (i.e. de gonflement) par adsorption de ces molécules polaires. Cette expansion est proportionnelle au nombre de couches d'eau (de 0 à 3). Ce nombre dépend surtout de la nature du cation interfoliaire et de la pression partielle (P/P0) d’eau. L’état d’hydratation maximum des smectites devient infini pour Na⁺ et Li⁺; il correspond à 3 couches d’eau pour Ca²⁺, Mg²⁺ et Ba²⁺. Le potassium autorise 2 couches d’eau dans les montmorillonites (charge octaédrique) et seulement 1 couche dans les autres smectites.

La pression de gonflement et les faibles perméabilités à l’eau

Lors de l’adsorption d’eau, il se forme une distribution diffuse des cations autour des feuillets, et notamment une concentration forcée d’ions créant ce que l’on appelle une « atmosphère ionique ».

Puisque les charges positives des cations et les charges négatives des feuillets sont physiquement séparées, le système peut être considéré comme une double couche électrique assimilable à un osmomètre dont la membrane semi-perméable serait constituée d’un feuillet argileux. Il existe donc un gradient de pression osmotique dans l’espace inter feuillets, qui produit une force de répulsion. À l’échelle de l’argile gonflante, l’ensemble des forces de répulsion mises en jeu au niveau des feuillets se transmet au niveau des particules, puis des agrégats, et détermine la pression de gonflement. Si l’on interdit toute déformation, pour un cation interfoliaire donné, la pression de gonflement est d’autant plus forte que la densité de l’argile est élevée.

Ce lien intime entre l’eau et les feuillets, et de manière générale avec les agrégats est aussi à l’origine des faibles perméabilités des argiles gonflantes (” 10^-11 m.s^-1).

Encadré 2.7 L’argile gonflante méthodologique MX80 retenue pour les études sur